FY-3卫星资料观测误差协方差优化和同化试验研究

The error covariance of Funyun 3 (FY-3) observation in variational data assimilation (VDA) has two flaws. One of the flaws is the correlated observation errors are always ignored, and another is that the observation error variances are always assigned by experience or statically estimated, which will influence the extraction of observations information and the effect of assimilation and prediction. For weakening the two flaws, the research of improving the observation error covariance estimation of FY-3 observations and its numerical experiments with variational data assimilation is taken as follows: 1) diagnosing the spatial and inter-channel observation error of FY-3 using the posterior information of data assimilation; 2) optimal tuning the observation error variance of FY-3 with the consideration of correlated observation error using the regularization method; 3) designing a new data assimilation for considering the inter-channel correlated observation error and optimal tuned observation error variance by solving the precondition and inversion of non-diagonal observation error covariance matrix in high dimensional data assimilation system. Then, typhoon initialization experiments are conducted by implementing the non-diagonal observation covariance matrix in the WRF four dimensional variational data assimilation system. The work can provide a new method for optimal using the FY-3 observation in variational data assimilation system.

风云三号（FY-3）卫星资料传统变分同化中观测误差协方差矩阵存在两个缺陷：一是忽略观测资料空间和通道相关误差；二是统计方法定义的观测误差方差存在一定程度误差，这些缺陷直接影响FY-3卫星观测资料的充分利用和最终同化预报效果。本项目针对上述两个缺陷，开展FY-3卫星微波资料观测误差协方差优化和同化试验研究：1）引入基于同化系统后验统计信息的诊断思想，诊断FY-3卫星资料空间和通道相关观测误差；2）拓展深入正则化思想在同化系统中的应用，在结合诊断的相关观测误差特性前提下，优化FY-3卫星资料观测误差方差；3）结合WRF四维变分同化模块，设计考虑通道相关观测误差和观测误差方差优化的同化系统，着重解决非对角观测误差协方差矩阵在实际高维同化系统中应用的预处理和求逆问题，在此基础上，开展FY-3卫星观测资料同化试验。本项目研究为实现FY-3卫星观测资料在变分同化系统中的更优充分利用提供新的思路和方法。

本项目完成了基金申请书中预定研究内容，并取得部分创新研究成果。具体包括1）基于Desroziers方法，首次诊断分析了FY-3A/3B上MWTS和MWHS的观测误差空间和通道相关特性。结果表明，MWTS和MWHS均存在空间相关观测误差，空间相关间距分别为120和60km；MWTS观测误差通道相关性较小，而MWHS各通道间，尤其是相邻通道间具有较强的通道相关性。同时，分析了基于观测误差空间相关诊断结果选择的稀疏化方案对预报结果的影响，结果表明可在一定程度上改进预报精度。2）基于结合观测误差参数自适应理论的正则化参数思想，诊断优化FY-3A/3B的观测误差方差。结果表明，实际观测误差方差均要小于WRF同化系统中给定的误差方差。同时，分析了不同扫描位置及不同纬度带观测误差相关和方差统计结果的差异，结果表明统计误差相关和方差随纬度和扫描位置变化。 3）基于WRF同化系统，使用Cholesky分解方法实现非对角观测误差协方差矩阵求逆，开展考虑观测误差方差优化和考虑观测误差相关的同化和预报试验。结果表明，短期预报中可改进不同变量在不同高度、区域和预报时效的预报效果；台风个例预报中可显著改进台风路径预报，对台风强度预报也有一定改进。本项目研究可为后续在同化系统中改进我国FY卫星资料的同化效果提供方法和实践应用支撑；同时，本项目方法可应用推广至其它卫星资料的同化应用中。